АДМИНИСТРАЦИЯ ГОРОДА НИЖНЕГО НОВГОРОДА
Департамент образования
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Школа № 63 с углубленным изучением отдельных предметов»
элективного курса
«Химические аспекты экологии»
Составитель:
учитель О.В. Рогова
г. Нижний Новгород
2016-2017 учебный год
I . Пояснительная записка
Нормативной базой для составления данной рабочей программы являются:
Федеральный закон №273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации»;
Требования к оснащению образовательного процесса в соответствии с содержательным наполнением учебных предметов федерального компонента государственного образовательного стандарта.
Рабочая программа составлена на основе Программы курса по выбору «Химические аспекты экологии»: для учащихся старших классов общеобразовательных организаций / С.Б. Шустов, Л.В. Шустова, Н.В. Горбенко. - М.: ООО «Русское слово - учебник 2015. - 32 с
Программа ориентирована на использование учебных пособий:
Шустов С.Б., Шустова Л.В., Горбенко Н.В. Химические аспекты экологии: учебное пособие для учащихся старших классов общеобразовательных организаций. Курс по выбору. М.: Русское слово - учебник, 2015.
Шустов С.В., Шустова Л.В., Горбенко Н.В. Рабочая тетрадь к учебному пособию С.Б. Шустова, JI .B . Шустовой, Н.В. Горбенко «Химические аспекты экологии» для учащихся старших классов общеобразовательных организаций. Курс по выбору. М.: Русское слово - учебник, 2015
Предлагаемая программа элективногой курса «Химические аспекты экологии» ориентирована на интеграцию химических знаний со знаниями смежных естественно-научных дисциплин: экологии, биологии, географии, физики.
В этом курсе реализуются межпредметные связи выше-перечисленных дисциплин, что позволяет учащимся осуществить интеграцию имеющихся знаний об окружающем мире в целостную картину и способствует формированию и развитию межпредметных компетенций старших школьников.
Экологическая химия -- наука о химических процессах, определяющих состояние и свойства окружающей среды -- атмосферы, гидросферы и почв.
Раздел химии, посвящённый изучению химических основ экологических явлений и проблем, а также процессов формирования химических свойств и состава объектов окружающей среды.
Экологическая химия изучает как естественные химические процессы, происходящие в окружающей среде, так и процесс её антропогенного загрязнения.
Антропогенное загрязнение окружающей среды оказывает существенное влияние на здоровье растений и животных. Годовая продукция растительности мировой суши до ее нарушения человеком имела значение, близкое к 172х109 т сухого вещества. В результате воздействия ее природная продукция к настоящему времени уменьшилась не менее чем на 25%. В публикациях В.В. Ермакова (1999), Ю.М. Захарова (2003), И.М. Донник (1997), М.С. Панина (2003) и др. показана возрастающая агрессивность антропогенных воздействий на окружающую среду (ОС), имеющих место на территориях развитых стран.
В.А. Ковда привел данные о соотношении естественных биогеохимических циклов и антропогенного вклада в природные процессы, с тех пор техногенные потоки возросли. По его данным, биогеохимические и техногенные потоки биосферы оцениваются следующими величинами:
По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из более чем 6 млн. известных химических соединений используется до 500 тыс., из которых 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными. К 2009 г. потребление минеральных и органических сырьевых ресурсов резко возросло и достигло 40-50 тыс. тонн на одного жителя Земли. Соответственно возрастают объемы отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения. В XXI веке антропогенные загрязнения поставили человечество на грань экологической катастрофы. Поэтому анализ экологического состояния биосферы России и поиск путей экологической реабилитации ее территории являются весьма актуальными.
В настоящее время на предприятиях горнодобывающей, металлургической, химической, деревообрабатывающей, энергетической, строительных материалов и других отраслей РФ ежегодно образуется около 7 млрд. тонн отходов. Используется же лишь 2 млрд. тонн, или 28% от общего объема. В связи с этим в отвалах и шламох-хранилищах страны накоплено около 80 млрд. тонн только твердых отходов. Под полигоны для их хранения ежегодно отчуждается около 10 тыс. га пригодных для сельского хозяйства земель. Наибольшее количество отходов получается при добыче и обогащении сырья. Так, в 2005 г. объем вскрышных, попутно добываемых пород и отходов обогащения в различных отраслях промышленности, был соответственно 3100 и 1200 млн. м3. Большое количество отходов образуется в процессе заготовки и переработки древесного сырья. На лесозаготовках отходы составляют до 46,5% общего объема вывезенной древесины. В нашей стране ежегодно образуется более 200 млн. м3 древесных отходов. Несколько меньше отходов получается на предприятиях черной металлургии: в 2004 г. выход огненно-жидких шлаков составил 79,7 млн. тонн, в том числе 52,2 млн. тонн доменных, 22,3 млн. т сталеплавильных и 4,2 млн. т ферросплавных. В мире ежегодно выплавляется цветных металлов приблизительно в 15 раз меньше, чем черных.
Однако при производстве цветных металлов в процессе обогащения руды образуется от 30 до 100 тонн измельченных хвостов на 1 тонн концентратов, а при плавке руды на 1 тонну металла - от 1 до 8 тонн шлаков, шламов и других отходов.
Ежегодно на предприятиях химической, пищевой, минеральных удобрений и других отраслей промышленности образуется более 22 млн. тонн гипсосодержащих отходов и около 120-140 млн. тонн осадков сточных вод (в сухом виде), около 90% из которых получаются при нейтрализации производственных сточных вод. Более 70% терриконов Кузбасса относятся к горящим. На расстоянии нескольких километров от них в воздухе значительно повышены концентрации SO2, CO, CO2. Резко повышается концентрация в почвах и поверхностных водах тяжелых металлов, а в районах урановых рудников - радионуклидов. Ведение горных работ открытым способом приводит к ландшафтным нарушениям, которые по своим масштабам соизмеримы с последствиями крупных природных катастроф. Так, в районе горных выработок в Кузбассе образовались многочисленные цепи глубоких (до 30 м) провалов, тянущихся на протяжении более 50 км, общей площадью до 300 км2 и объемов провалов более 50 млн. м3.
В настоящее время огромные площади занимают твердые отходы тепловых электростанций: золы, шлаки, близкие по составу к металлургическим. Их ежегодный выход достигает 70 млн. тонн. Степень их использования в пределах 1-2%. По данным министерства природных ресурсов РФ, общая площадь земель, занятых отходами различных производств, в целом превышает 2000 км2.
В мире добывается ежегодно более 40 млрд. тонн сырой нефти, из которых при добыче, транспортировке и переработке теряется около 50 млн. тонн нефти и нефтепродуктов. Нефть считается одним из самых распространенных и самых опасных загрязняющих веществ в гидросфере, так как около трети ее добывается в континентальном шельфе. Общая масса нефтепродуктов, ежегодно попадающих в моря и океаны, приближенно оценивается в 5-10 млн. тонн.
По данным НПО «Энергосталь», степень очистки отходящих газов от пыли черной металлургии превышает 80%, а степень утилизации твердых продуктов улавливания составляет лишь 66%.
При этом коэффициент утилизации железосодержащих пылей и шлаков равен 72%, тогда как остальных видов пылей 46%. Практически на всех предприятиях как металлургических, так и тепловых электростанций не решаются вопросы очистки агрессивных низкопроцентных серосодержащих газов. Выбросы этих газов составляли 25 млн. тонн. Выбросы в атмосферу серосодержащих газов только от ввода в эксплуатацию газоочисток на 53 энергоблоках страны в период с 2005 по 2010 годы снизились с 1,6 до 0,9 млн. тонн. Слабо решаются вопросы нейтрализации гальванических растворов. Еще медленнее - вопросы по утилизации отходов, образующихся при нейтрализации и переработке отработанных травильных растворов, растворов химических производств и сточных вод. В городах России до 90% сточных вод сбрасываются в реки и водоемы в неочищенном виде. В настоящее время разработаны технологии, которые позволяют превращать токсичные вещества в малотоксичные и даже в биологически активные, которые можно использовать в сельском хозяйстве и в других отраслях.
Современные города выбрасывают в атмосферу и водную среду около 1000 соединений. В загрязнении воздуха городов одно из ведущих мест занимает автотранспорт. Во многих городах на выхлопные газы приходится 30%, а в некоторых - 50%. В Москве за счет автотранспорта в атмосферу поступает около 96% CO, 33% NO2 и 64% углеводородов.
По факторам воздействия, их уровню, длительности действия и площади распространения природно-техногенные биогеохимические провинции Урала отнесены к территориям с наибольшей степенью экологического неблагополучия. Урал на протяжении последних лет занимает лидирующее положение по количеству суммарных выбросов в атмосферу вредных веществ. По данным А.А. Малыгиной по загрязнению воздуха и воды Урал занимает первое место в России, а по загрязнению почв - второе.
Урал является одним из крупнейших в стране производителей черных металлов. В нем насчитывается 28 предприятий металлургического комплекса. Для обеспечения их сырьем в области работает более 10 горноперерабатывающих предприятий. По состоянию на 2003 год на металлургических предприятиях области накоплено около 180 млн. тонн доменных шлаков, 40 млн. тонн сталеплавильных и более 20 млн. тонн шлаков производства феррохрома, а также значительное количество пылей и шламов. Установлена возможность переработки отходов в различные строительные материалы для нужд народного хозяйства.
В отвалах области накоплено свыше 2,5 млрд. м3 различных горных пород, 250 млн. тонн шлаков и золы ТЭС. Из всего объема вскрышных пород перерабатывается только 3%. На металлургических предприятиях из 14 млн. тонн ежегодно образующихся шлаков используется только 40-42%, из них 75% доменных шлаков, 4% - сталеплавильных, 3% - ферросплавных и 17% шлаков цветной металлургии, а золы ТЭС только около 1%.
Нарушение микро- и макроэлементного гомеостаза в организме определяется природно-техногенными загрязнениями биосферы, что приводит к формированию широких ареалов техногенных микроэлементов вокруг территориально-промышленных комплексов. Страдает здоровье не только людей, принимающих непосредственное участие в процессе производства, но и проживающих по соседству с предприятиями. Как правило, они имеют менее выраженную клиническую картину и могут принимать скрытую форму тех или иных патологических состояний. Показано, что вблизи промышленных предприятий, расположенных в городе среди жилых массивов, концентрации свинца превышают фоновые значения в 14-50 раз, цинка - в 30-40 раз, хрома - в 11-46 раз, никеля - в 8-63 раза.
Анализ эколого-химической ситуации и состояния здоровья населения Урала позволил установить, что по уровню загрязнения относится к «зонам чрезвычайной экологической ситуации». Продолжительность жизни на 4-6 лет меньше по сравнению с аналогичными показателями по России.
Жители, длительно проживающие в условиях природно-техногенного загрязнения, подвергаются воздействию аномальных концентраций химических элементов, оказывающих заметное влияние на организм. Одно из проявлений - изменение состава крови, причиной которого является нарушение поступления железа, микроэлементов (Cu, Co) в организм, связанное как с низким содержанием их в продуктах питания, так с высоким содержанием в пище соединений, препятствующих абсорбции железа в ЖКТ.
При проведении мониторинга по биологическим и химическим параметрам в 56 хозяйствах разных регионов Урала было условно выделено пять вариантов территорий, различающихся по экологической характеристике:
- * территории, загрязненные выбросами крупных промышленных предприятий;
- * территории, загрязненные вследствие деятельности предприятий долгоживущими радионуклидами - стронцием-90 и цезием-137 (Восточно-Уральский радиоактивный след - ВУРС);
- * территории, испытывающие нагрузку от промышленных предприятий и одновременно находящиеся в зоне ВУРСа;
- * геохимические провинции с высоким природным содержанием тяжелых металлов (Zn, Cu, Ni) в почве, воде, а также аномальными концентрациями в припочвенном воздухе и воде радона-222;
- * территории, относительно благоприятные в экологическом отношении, свободные от промышленных предприятий
В 1980-е и 1990-е годы проблемы, связанные с окружающей средой, широко обсуждались учеными, политиками и в средствах массовой информации. Большое внимание было уделено вопросам глобального и регионального масштаба, например эмиссии диоксида углерода (СО 2), связанной с глобальным потеплением климата, и истощению озонового слоя стратосферы в связи с выбросами хлорфторуглеводородов (ХФУ). Однако проблемы местного значения рассматривались не менее серьезно, поскольку их последствия оказываются более явными и непосредственными. Вопросы, связанные с загрязнением водных ресурсов продуктами выщелачивания, поступающими со свалок, и образованием радона в жилых домах, являются теперь достоянием не только нескольких узких специалистов, но и заботой широкого круга населения. Следует отметить, что многие из этих проблем требуют понимания механизмов химических реакций и потому химия окружающей среды становится особенно важной и актуальной дисциплиной.
Химия окружающей среды в настоящее время становиться одной из ведущих дисциплин в связи с все возрастающим воздействием антропогенных химических соединений на окружающую среду. В предлагаемом курсе излагаются основные принципы, необходимые для изучения химии окружающей среды и показывается, как применяются эти принципы в локальных и глобальных масштабах и как проявляется эффект геохимических процессов во временном масштабе.
Цель курса химические основы экологии – знакомство учащихся с некоторыми основополагающими химическими принципами, которые используются в химии окружающей среды, и иллюстрация их применение в различных ситуациях как глобального, так и регионального масштаба.
Основной идеей этого курса является необходимость понимания того, как протекают природные геохимические процессы и как они действовали в различных временных масштабах. Такое понимание дает базовую информацию, на основе которой можно количественно учесть последствия вмешательства человека в химические процессы. Курс не пытается дать исчерпывающий обзор, в него включены темы, освещающие основополагающие химические принципы.
Пояснительная записка
Программа «Химические основы экологии» является модифицированной (Шустов С.Б., Шустова Л.В. «Химия и экология», Н.Новгород, 1994г., Нижегородский гуманитарный центр). Программа способствует интеграции естественных наук и гуманитарных наук, укрепляет систему экологического познания.
Программа может быть реализована в учебном плане 9-11классов, предполагает снятие необоснованных предубеждений в отношении химии как «основного виновника» экологических бед, оценку её положительной роли в современном решении проблем окружающей среды, формирование оптимистического взгляда в будущее и веры в разум человека.
Цель
Заложить основы для восприятия базового курса химии с позиций экологической проблематики, развить естественнонаучных знания, а также приобщить учащихся к видению химических аспектов экологии.
Задачи
1. Развитие познавательного интереса к экологическим проблемам.
2. Развитие личностного самообразования.
3. Создание комфортной обстановки, атмосферы сотрудничества.
4. Формирование общественной активности по вопросам экологии.
5. Формирование специальных знаний и умений.
Ожидаемые результаты
Учащимися должны быть переосмыслены основы базового курса химии с позиций экологической проблематики, скорректирован стереотип отношения к химии как «основного виновника» экологических проблем. Реализация программы даст возможность влиять на формирование у старшеклассников жизненных принципов, основанных на сотрудничестве человека с природой, воспитание ответственного отношения к природе.
Кроме того, комфортная благоприятная обстановка и атмосфера сотрудничества на занятиях способствует самообразованию.
Способы проверки знаний, умений, навыков и периодичность
Стартовое, промежуточное и итоговое тестирование.
Введение. 2 ч. (1+1)
Химия – наука о веществах и их превращениях. Экология – наука, изучающая отношение организмов между собой и окружающей средой. Взаимосвязь химии и экологии, их роль в познании окружающего мира. Охрана природы – комплекс мер по защите и сохранению объектов природы и рациональному использованию природных ресурсов. Двойственная роль человека в окружающей среде.
Практическая часть. Интервьюирование (опрос) учащихся школы с целью выявления их отношения к природе и её охране и сопоставление их ответов со своим личным отношением к проблеме.
Тема №1. Важнейшие химические понятия. 3 ч. (2+1)
Химические вещества и химические реакции. Простые и сложные вещества. Основные классы веществ. Графическое изображение веществ. Уравнения химических реакций. Знакомство с техникой безопасности при работе в химическом кабинете.
Практическая часть. Сопоставление физических явлений и химических реакций. Демонстрационное изменение окраски индикаторов в различных средах.
Тема №2. Основные экологические понятия. 4ч. (3+1)
Экологические фильтры. Организм, Цепи питания. Понятие о ПДК. Экологическая пирамида чисел и массы. Биосфера. Ноосфера. Уровни экологических проблем: местный, региональный, глобальный. Экологический кризис.
Практическая часть. Определение уровня экологических проблем.
Тема №3. Организм человека – химическая лаборатория. 4 ч. (3+1)
Химическая организация организмов. Понятие об органических веществах: белках, жирах, углеводах, нуклеиновых кислотах, гормонах, витаминах. Неорганические вещества: вода, соли натрия, калия, кальция. Соединения железа, меди, кобальта, фосфора и их биороль. Причины быстрого старения организма. Ортобиоз – здоровый образ жизни.
Практическая часть. Ознакомление с составом зубной эмали и дентина. Причины появления кариеса.
Тема № 4. Атмосфера Земли и её охрана. 4 ч.(2+2)
Атмосфера – воздушная среда обитания. Воздух и его компоненты. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. «Гигиена» воздуха. Вред, наносимый здоровью человека курением. Причины возникновения парникового эффекта, разрушения озонового слоя и возможные последствия. Охрана атмосферы. Экологические чистые виды топлива. Альтернативные источники энергии.
Практическая часть. Игра: «Если бы я был мэром...» Конкурс проектов: «Экологические чистые виды транспорта 21 века».
Тема №5. Гидросфера и её охрана. 4 ч. (2+2)
Вода, её состав и свойства. Гидросфера – водная среда обитания организмов. Основные источники и пути загрязнения водоёмов: добыча и транспортировка нефти, угля, руды, промышленные, сельскохозяйственные и бытовые стоки. Проблема дефицита пресной воды и её решение.
Практическая часть. 1. Имитационная игра: «Оперативное совещание» (проблема: нефть в море). 2. Экологическое прогнозирование. Оценка ситуации: водители моют машины на берегу водоёма. Разработка проекта экологически безопасной площадки для мойки машин.
Тема №6. Литосфера и её охрана. 4 ч. (2+2)
Литосфера и её границы. Почва, её функции. Загрязнение почвы тяжёлыми металлами (источники, последствия, защита). Накопление в почве пестицидов – химические средства борьбы с сорняками, болезнями растений. Влияние пестицидов на природную среду. Альтернативные способы борьбы с вредителями. Проблема городских и промышленных свалок и пути её решения.
Практическая часть. Круглый стол «Пестициды и окружающая среда». Составление памятки дачнику.
Тема №7. Химия в быту. 4 ч.(2+2)
Основные вещества, используемые в быту, их свойства. Техника безопасности при обращении с бытовыми химикатами. Первая помощь при химических отравлениях и ожогах. Этанол (состав, свойства, двойственная роль в отношении человека)
Практическая часть. 1. Знакомство с основными группами веществ, применяемых в быту. Конкурс инструкций по домашней технике безопасности. 2. Дискуссия: Этанол: факты «за» и «против».
Тема №8. Земля – наш общий дом. 4 ч. (2+2)
Круговорот веществ в биосфере. Распространенность элементов в земной коре. Понятие о методах контроля за поступлением металлов в растительные и животные организмы. Ксентобиотики – вещества, не свойственные живым организмам (косметические средства, аэрозоли). Экоотравления. Аллергия как результат экоотравлений. Пути сохранения чистоты биосферы. Роль экологии, химии в решении экологических проблем.
Программа рассчитана на 34 часа, из них – 20 часов теория, 14 часов практика.
Учебно-тематический план
№ п/п
Название разделов, тема
Количество часов
всего
теория
практика
Введение
Важнейшие химические понятия
Атмосфера Земли и её охрана
Гидросфера и её охрана
Литосфера и её охрана
Химия в быту
Земля – наш общий дом
ИТОГО:
34
20
14
Методическое обеспечение
Тема
Форма занятий
Приемы, методы
Методический и дидактический материалы
Техническое оснащение
Форма подведения итогов
Введение
Групповая работа
Интервьюирование
Групповое задание
Беседа
Карточки
Подведение итогов
интервьюирование
Важнейшие химические понятия
Практическое занятие
Групповые задания
Таблицы
Схемы
Растворы кислот, щелочи, солей и различных индикаторов
Реферат
Основные экологические понятия
Групповая
Индивидуальная
Практическая
Лекция
Беседа
Слайды
Таблицы
Экран
Презентация
Организм человека – химическая лаборатория
Групповая
Практическая
Лекция
Дидактические карточки
Практическая работа
Таблицы
Схемы
Дидактические карточки
Доклад
Гидросфера и её охрана
Групповая работа Имитационная игра Прогнозирование Моделирование
Групповые и индивидуальные задания Беседа
Дидактические карточки Таблицы Слайды
Экран
Имитационная игра
Литосфера и её охрана
Групповая работа Круглый стол
Лекция Беседа Индивидуальные задания
Дидактические карточки Видеофильм
Видеомагнитофон
Круглый стол Составление памятки дачнику
Атмосфера и её охрана
Групповая работа Индивидуальная работа
Игра
Лекция Творческие задания Групповые задания
Таблицы
Схемы
Слайды
Экран
Конкурс
проектов
Химия в быту
Практические задания Дискуссия
Индивидуальные задания Групповые задания Беседа
Дидактические карточки
Вещества, применяемые в быту
Дискуссия «Этанол: за и против»
Земля – наш общий дом
Групповые занятия Практическое занятие Конференция
Лекция
Беседа
Групповые задания
Таблицы
Схемы
слайды
Экран
Конференция «Химия и экология»
Список литературы
Шустов С. Б., Шустова Л. В. Химия и экология. Учебное пособие для учащихся. Н. Новгород, 1994 г. Нижегородский гуманитарный центр.
Э. Гроссе, Х. Вайсмантель. Химия для любознательных. Ленинград, «Химия», 1985 г.
В.И.Голик, В.И. Комащенко, К. Дребенштедт. Охрана окружающей среды. Москва, 2005 г.
А.Ф.Сергеева. Урожай без химии или экология шести соток. Ростов-Феникс, 2001 г.
Г.П. Поляшова. Лечение без химии. Проверенные средства народной медицины. Золотая книга народной медицины. ЭКСМО, 2005 г.
Философские дискуссии в современном естествознании представляют собой в некотором смысле необычную картину, а именно: весьма активно обсуждаются методологические и мировоззренческие проблемы биологии и физики, синергетики и астрономии, генетики и биотехнологии, однако не очень большое внимание уделяется аналогичным вопросам химии. Может оказаться, что, базируясь на таких фундаментальных обобщениях, как периодический закон, теория химического строения, химическая термодинамика, химия открыла широкие возможности для исследования и синтеза миллионов веществ неживой и живой природы, для создания раннее неизвестных соединений. Вроде бы она увлеклась эмпиризмом, утилитарной стороной и ее не интересуют сложные мировоззренческие и методологические проблемы, стоящие перед ней. "Однако перед химией, - подчеркивает Ю.А. Жданов, - стоят свои сложные и актуальные проблемы теоретического и методологического характера, и без их уяснения не только она сама, но и ряд других наук не смогут продуктивно двигаться вперед".
Теперь рассмотрим экологический аспект химии, когда происходит процесс загрязнения окружающей среды, который в силу его нелинейности оказывает вредное влияние на человека. Здесь можно выделить целый спектр вредных для нашего здоровья факторов: химическое загрязнение почвы и следующая отсюда опасность продуктов, химическая загрязненность воздуха воды и прочие экологически опасные воздействия. В данном случае следует считаться с антропогенной природой различного рода загрязнения атмосферы, гидросферы и литосферы. «Человек является естественным и основным загрязнителем, - подчеркивает Дж. Бокрис, - планеты. Долгое время экологическое развитие было гармонично. Жизнь одного организма в процессе развития была подчинена целому, и она соответствовала химическим процессам, протекавшим вокруг нее. До нынешнего столетия человек не очень ощутимо влиял на сбалансированную в процессе развития экологическую ситуацию. Нарушение этой гармонии, с которой в настоящее время столкнулся человек, является следствием увеличения объема химических и других промышленных предприятий, сбрасываемых в воду и в воздух. В атмосфере происходят фотохимические процессы, с помощью которых перерабатываются загрязняющие вещества и восстанавливается баланс. Однако с начала XX в. Человек выбросил в атмосферу такое количество загрязнителей, что они нарушают природные процессы восстановления баланса». Химическая загрязненность окружающей среды оказывает значительное влияние на жизнедеятельность и поведение человека, так как наносит ощутимый вред его организму.
Давно установлено, что поведение человека и сопряженные с ним его здоровье и патология детерминировано химической природой окружающей среды. Селективный выбор химических веществ лежит в основе поиска лекарственных препаратов для лечения различного рода заболеваний, в том числе и психических. Известно немало веществ, вызывающих нарушение нормального поведения человека, например, приводящих к наркомании. Однако они составляют только очень небольшую часть огромного разнообразия химических веществ, оказывающих биохимическим путем воздействие на здоровье человека. Ведь химические вещества вне зависимости от способов проникновения в организм человека влияют на протекание биохимических процессов в организме. Это обусловлено, во-пepвых, закономерностями генезиса биосистем на нашей планете - в ходе химической эволюции одним из самых ранних основных изменений был переход от восстановительной атмосферы к окислительной, в которой начали развиваться характерные для нашего времени биосистемы. Гармоничность такой эволюции четко проявляется в «... единстве, которое подразумевает биохимическую эволюцию гораздо более сложную и происшедшую гораздо раньше, чем биологическая эволюция, которая дала нам все столь разнообразные формы, явления и поведенческие образцы в растительном и животном мире». Следовательно, внешняя химическая среда детерминировала природу выживших в ходе эволюции организмов.
Во-вторых, выживание организмов связано с развившейся способностью организма к воспроизводству. Расшифровка кода ДНК – основного генетического материала, транслируемого от поколения к поколению – показала, что развитие индивида регулируется на молекулярном уровне и протекает за счет большого числа биохимических реакций. Тогда становится ясным, что все остальные свойства организма (анатомические, электрофизиологические, поведенческие и пр.) в определенном смысле зависят от биохимических процессов. Это объясняет, почему на здоровье и патологию человеческого организма, прежде всего, оказывает влияние биохимические факторы, почему наиболее значимыми являются воздействия внешней химической среды.
Само собой разумеется, что в ходе эволюционного процесса сформировалась способность биосистемы реагировать как единое целое на воздействия окружающей среды, от чего зависит физическое состояние индивида, основной причиной изменения этого состояния человека являются нейрохимические процессы, которые протекают в нервной системе, особенно в центральной нервной системе, тонкая организация которой обеспечивает возможность осуществления множества таких процессов. Мозг человека содержит, как известно, порядка 100 млрд. нейронов, он представляет собой нейронную сеть, которая является фракталом, т.е. обладает нелинейностью. И сам организм человека есть динамическая нелинейная система, поэтому связь между состоянием человека и внешней химической средой в самом общем виде является нелинейной. Результаты экспериментов по выявлению связей чувствительности поведения и острых изменений химической среды, когда нарушается нормальное состояние организма, показывает нелинейную (экспоненциальную) зависимость (связь) между состоянием организма и экзогенным химическим веществом. В общем случае неважно, каким путем попадают химические вещества в организм человека - соматическим, при вдыхании, через кожу или слизистую оболочку, вследствие инъекции или имплантации; главное состоит в том, что они оказывает нелинейное воздействие на состояние организма человека. Это имеет немаловажное значение для методов контроля и очищения окружающей среды от химических загрязнений, чтобы человек мог нормально санкционировать и осуществлять свою деятельность.
Заслуживает философского осмысления происходящий в современной химии переход от конструирования молекул к созданию молекулярных машин. Химия относится к тем областям фундаментального знания, которая позволяет синтезировать и изучать молекулы, а это означает, что химия как раздел естественных наук занята изучением вещества на уровне его молекулярной организации. Данная область исследований кажется непредельной и в действительности является таковой. В каталог химии занесены сотни тысяч молекул природного происхождения, строение которых расшифровано в лабораториях, а к настоящему времени к этому числу добавлено более 15 млн. молекул, синтезированных химиками и не встречающихся в живой природе веществ. Разработанная химиками методология синтеза, методы исследования молекулярной структуры и их превращений (а среди новейших из них есть такие, как сканирующая туннельная микроскопия и лазерная фемтосекундная спектроскопия, в которых достигаются пространственное и временное разрешения на уровне размеров отдельных атомов и их перемещений за исчезающие малые промежутки времени в 10 -15 с), позволяет успешно постигать тайны строения молекул и их различных свойств. Это относится даже к самым неустойчивым из них, разлагающимся в обычных условиях за миллионные доли секунды.
«Означают ли эти достижения, - пишет В.И. Минкин, - что химия как наука уже решила свою задачу и, хотя ее возможности производить новые молекулы в еще большем количестве остаются неограниченными, сам этот процесс приобретает все более рутинный характер? Действительно, в настоящее время стал, например, возможным, автоматический синтез пептидов (низкомолекулярных белков). Такая оценка общего состояния химической науки (науки, законы которой в равной мере важны для постижения живой и неживой Природы) была бы поспешной. Да и совсем не оригинальной». Ведь еще в 1929 г. нобелевский лауреат Поль Дирак с открытием квантовой механики утверждал: "Основные физические законы, необходимые для математической теории части физики и всей химии становятся, таким образом, полностью известными, и затруднения состоят только в том, что точное применение этих законов приводит к уравнениям, слишком сложным, чтобы их можно было решить". Данный тезис Дирака оказался в центре широких дискуссий среди физиков, химиков и адептов и противников философии редукционизма. Во многих монографиях и учебниках по теоретической и физической химии приводится данное высказывание классика науки, причем акцент делается на несбыточности предсказания. Очевидно, Дирак высказывал свою мысль в качестве некоей гиперболы, чтобы подчеркнуть исключительную важность новой теории микромира. Сами постулаты квантовой механики, вытекающие из них следствия оказались верными, а как было уже показано сейчас полное уравнение Шредингера не решается точно даже для простейших молекул, а хорошие приближения к точным решениям для молекул среднего размера требуют времени работы суперкомпьютера, исчисляемое сутками. Можно сказать, что методы квантовой механики определяют, в основном, темпы научного прогресса, но не характер научного творчества. Известно, что творческие по своей природе иррациональны и не могут быть выведены логическим, дедуктивным путем - в противном случае любой владеющий логикой человек мог делать научные открытия (в этом случае наука просто была бы не нужна). К тому же не следует забывать, что периодическая система элементов и теория молекулярного строения органических соединений были созданы химиками задолго до формирования принципов квантовой механики и даже до открытия электрона.
Известно, что выбор направлений научного поиска диктуется двумя факторами: запросом общественной потребности и внутренним импульсом исследователя к открытию новых явлений и закономерностей, проникновению в тайны Природы. На разных этапах развития общества в зависимости от достигнутого уровня знаний тенденции научного поиска и приоритеты выбора целей меняются. В химии 60-80-х годов центр тяжести исследований приходился на изучение тонкой структуры молекул, механизмов реакций и внутримолекулярной динамики. В последнее десятилетие четко выявился интерес к объектам и целям повышенной сложности - изучению и моделированию функций биологически важных молекулярных систем, а также созданию новых высокотехнологичных материалов, построенных из элементов наноскопического масштаба. Эта тенденция отражает переход от исследования отдельных молекул и их небольших ассоциатов к исследованию строения свойств и трансформаций достаточно больших агрегатов молекул, направленному конструированию организованных молекулярных ансамблей с целью создания своеобразных молекулярных машин, т.е. молекулярных устройств, в которых изменения, индуцируемые в отдельных cocтавляющих молекулах, вызывают кооперативные процессы во всей системе (К. Дрекслер). Такие устройства могут служить для превращения одного вида энергии в другой, аккумуляции световой энергии, записи, хранения и передачи информации, молекулярного компьютинга и пр. "Конструирование таких устройств составляет область, - подчеркивает В.И.Минкин, – которую обозначают термином молекулярная инженерия".
Для химии небо остается широко открытым, ибо это не только наука, но и искусство. Искусство, конечно же, благодаря красоте своих объектов, но и по самой своей сути, благодаря своей способности и бесконечно изобретать и творить свои объекты, самое себя, свое собственное будущее. Подобно художнику, химик воплощает в материальных образах плоды своего собственного воображения. Камень, звуки, слова сами по себе не содержат создаваемых из них произведений скульптора, композитора, писателя. Подобным образом, химик создает новые молекулы, новые материалы и новые свойства из элементов, предоставляемых ему природой. Он воистину творит новые миры, которые не существовали, пока не вышли, оформившись из рук химика, подобно тому как материал, только выйдя из рук мастера, приобретает силу и выразительность произведения искусства. Это прекрасно передал в своем творении Опост Роден.
Химия обладает этим творческим потенциалом. Как Марселей Бертло: «Химия сама создает свои объекты». Она не просто создает предметы, она творит предмет своего исследования. Он не существует изначально, изобретается и создается в процессе исследования. Он не просто ждет своего открытия, он ждет своего создания. Суть химической науки нашла свое полное выражение в словах художника – ученого Леонардо да Винчи: «… там, где природа перестает творить свои собственные объекты, за дело берется человек, который создает, используя природные материалы и при помощи природы, бесчисленное множество новых объектов…».
Суть химии не только в открытиях, но и в изобретениях, в творческом созидании, прежде всего. Книгу химии надо не только читать, но и писать; партитуру химии надо не просто исполнить, ее надо сочинить. Философская значимость современной химии состоит в том, что она позволяет конструировать новые вещества и материалы, не встречающиеся в живой природе, а это, в свою очередь, вносит новое измерение в смысл экзистенции человека. Ведь очень сложными и многообразными обещают быть объекты супрамолекулярного химического творчества, в результате которого можно создавать целые химические галактики. Творчество же, как известно, служит поиску смысла нашей жизни, удовлетворяя высшую потребность в самоактуализации.
Похожая информация.
На сегодня нет необходимости убеждать кого-либо в том, какое огромное значение для всего человечества играют вопросы, связанные с проблемой охраны окружающей среды. Эта проблема сложна и многопланова. Она включает не только чисто научные аспекты, но и экономические, социальные, политические, правовые, эстетические.
В основе процессов, обусловливающих современное состояние биосферы, лежат химические превращения веществ. Химические аспекты проблемы охраны окружающей среды формируют новый раздел современной химии, названный химической экологией. Это направление рассматривает химические процессы, протекающие в биосфере, химическое загрязнение окружающей среды и его влияние на экологическое равновесие, дает характеристику основных химических загрязнителей и способов определения уровня загрязнения, разрабатывает физико-химические методы борьбы с загрязнением окружающей среды, проводит изыскание новых экологически чистых источников энергии и др.
Понимание сути проблемы охраны окружающей среды, безусловно, требует знакомства с рядом предварительных понятий, определений, суждений, детальное изучение которых должно способствовать не только более глубокому проникновению в суть проблемы, но и развитию экологического образования. .Геологические сферы планеты, а также структура биосферы и протекающие в ней химические процессы в обобщенном виде представлены на схеме 1 .
Обычно различают несколько геосфер. Литосфера - внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из двух слоев: верхнего, образованного осадочными породами, включающими гранит, и нижнего - базальтового. Гидросфера - это все океаны и моря (Мировой океан), составляющие 71% поверхности Земли, а также озера и реки. Глубина океана в среднем составляет 4 км, а в отдельных впадинах - до 11 км. Атмосфера - слой над поверхностью литосферы и гидросферы, достигающий 100 км. Нижний слой атмосферы (15 км) называют тропосферой . Она включает взвешенные в воздухе водяные пары, перемещающиеся при неравномерном нагреве поверхности планеты. Над тропосферой простирается стратосфера , у границ которой возникают северные сияния. В стратосфере на высоте 45 км расположен озонный слой, отражающий губительное для жизни космическое излучение и частично - ультрафиолетовые лучи. Выше стратосферы простирается ионосфера - слой разряженного газа из ионизированных атомов.
Среди всех сфер Земли особое место занимает биосфера . Биосфера - это геологическая оболочка Земли вместе с населяющими ее живыми организмами: микроорганизмами, растениями, животными. Она включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу, тропосферу и нижнюю часть стратосферы (в том числе озонный слой). Границы биосферы определяются верхним пределом жизни, ограниченным интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей, и нижним пределом, ограниченным высокими температурами земных недр; крайних пределов биосферы достигают лишь низшие организмы - бактерии. Особое место в биосфере занимает озонный защитный слой . В атмосфере содержится всего лишь об. % озона, однако он создал на Земле такие условия, благодаря которым на нашей планете зародилась и продолжает развиваться жизнь.
В биосфере осуществляются непрерывные круговороты веществ и энергии. В круговороте веществ постоянно участвуют в основном одни и те же элементы: водород, углерод, азот, кислород, сера. Из неживой природы они переходят в состав растений, из растений - в животных и человека. Атомы этих элементов удерживаются в круге жизни сотни миллионов лет, что подтверждается данными изотопного анализа. Указанные пять элементов называют биофильными
(жизнелюбивыми), при этом не все их изотопы, а только легкие. Так, из трех изотопов водорода биофильным является только . Из трех природных изотопов кислорода 
биофилен только , а из изотопов углерода - только .
Роль углерода в возникновении жизни на Земле поистине огромна. Имеются основания полагать, что при образовании земной коры часть углерода вошла в состав ее глубинных слоев в виде минералов типа карбидов, а другая его часть была удержана атмосферой в виде СО. Понижение температуры на определенных этапах формирования планеты сопровождалось взаимодействием СО с водяным паром по реакции ккал, так что ко времени появления на Земле жидкой воды углерод атмосферы должен был находиться в виде углекислого газа. В соответствии с приводимой ниже схемой круговорота углерода углекислый газ атмосферы извлекается растениями (1), и через пищевые связи (2) углерод попадает в организм животных:
Дыхание животных и растений и тление их останков постоянно возвращают атмосфере и водам океана громадные массы углерода в виде углекислого газа (3, 4). Вместе с тем имеет место некоторый вывод углерода из круговорота за счет частичной минерализации останков растений (5) и животных (6).
Дополнительным, причем более мощным, выводом углерода из круговорота является неорганический процесс выветривания горных пород (7), при котором содержащиеся в них металлы под действием атмосферы переходят в углекислые соли, вымываемые затем водой и переносимые реками в океан с последующим частичным осаждением. По ориентировочным подсчетам ежегодно при выветривании горных пород из атмосферы связывается до 2 млрд т углерода. Такой грандиозный расход не может быть скомпенсирован различными свободно протекающими природными процессами (извержением вулканов, газовыми источниками, действием образующейся при грозах на известняки и т.д.), ведущими к обратному переходу углерода из минералов в атмосферу (8). Таким образом, как неорганический, так и органический этапы круговорота углерода направлены на уменьшение содержания в атмосфере. В этой связи следует отметить, что сознательная деятельность человека существенно влияет на общий круговорот углерода и, затрагивая по существу все направления процессов, протекающих при естественном круговороте, в конечном счете компенсирует утечку из атмосферы. Достаточно сказать, что за счет сжигания только одного каменного угля атмосфере ежегодно (в середине нашего века) возвращалось в виде более 1 млрд т углерода. Принимая во внимание потребление и других видов ископаемого горючего (торфа, нефти и др.), а также ряд промышленных процессов, ведущих к выделению , можно полагать, что эта цифра в действительности еще более высокая.
Таким образом, влияние человека на циклы превращений углерода по своему направлению прямо противоположно суммарному результату естественного цикла:
Энергетический баланс Земли слагается из различных источников, однако главнейшими из них являются солнечная и радиоактивная энергия. В ходе эволюции Земли радиоактивный распад был интенсивным, и 3 млрд лет тому назад радиоактивного тепла было в 20 раз больше, чем сейчас. В настоящее время тепло солнечных лучей, падающих на Землю, значительно превосходит внутреннее тепло от радиоактивного распада, так что основным источником тепла сейчас можно считать энергию Солнца. Солнце дает нам в год ккал тепла. Согласно приведенной выше схеме, 40% солнечной энергии отражается Землей в мировое пространство, 60% поглощается атмосферой и почвой. Часть этой энергии расходуется на фотосинтез, часть идет на окисление органических веществ, а часть консервируется в угле, нефти, торфе. Солнечная энергия возбуждает на Земле грандиозные по своим масштабам климатические, геологические и биологические процессы. Под влиянием биосферы солнечная энергия преобразуется в различные формы энергии, обусловливающие огромные по размерам превращения, миграции, круговорот веществ. Несмотря на свою грандиозность, биосфера является открытой системой, так как постоянно получает поток солнечной энергии.
Фотосинтез включает сложный комплекс различных по природе реакций. В этом процессе происходит перестройка связей в молекулах и , так что вместо прежних связей углерод-кислород и водород-кислород возникает новый тип химических связей: углерод-водород и углерод-углерод:
В результате этих превращений возникает молекула углевода, которая представляет собой концентрат энергии в клетке. Таким образом, в химическом отношении сущность фотосинтеза заключается в перестройке химических связей. С этой точки зрения, фотосинтезом можно называть процесс синтеза органических соединений, идущий за счет световой энергии. Суммарное уравнение фотосинтеза показывает, что кроме углеводов образуется также и кислород:
но это уравнение не дает представления о его механизме. Фотосинтез - это сложный, многоступенчатый процесс, в котором с биохимической точки зрения центральная роль принадлежит хлорофиллу - органическому веществу зеленого цвета, которое поглощает квант солнечной энергии. Механизм процессов фотосинтеза может быть представлен следующей схемой:
Как видно из схемы, в световой фазе фотосинтеза избыточная энергия "возбужденных" электронов порождает для процесса: фотолиз - с образованием молекулярного кислорода и атомарного водорода:
и синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и фосфорной кислоты (Ф). В темновой фазе идет синтез углеводов, для осуществления которого расходуется энергия АТФ и атомов водорода, возникающих в световую фазу в результате преобразования световой энергии Солнца. Общая продуктивность фотосинтеза огромна: ежегодно растительность Земли связывает 170 млрд т углерода. Помимо того, растения вовлекают в синтез миллиарды тонн фосфора, серы и других элементов, в результате чего ежегодно синтезируется около 400 млрд т органических веществ. Тем не менее при всей своей грандиозности природный фотосинтез - медленный и малоэффективный процесс, поскольку зеленый лист использует для фотосинтеза всего 1% падающей на него солнечной энергии.
Как отмечалось выше, в результате поглощения углекислоты и дальнейших ее преобразований в ходе фотосинтеза образуется молекула углевода, которая служит углеродным скелетом для построения всех органических соединений в клетке. Органические вещества, возникшие в процессе фотосинтеза, характеризуются высоким запасом внутренней энергии. Но энергия, аккумулированная в конечных продуктах фотосинтеза, недоступна для непосредственного использования ее в химических реакциях, протекающих в живых организмах. Перевод этой потенциальной энергии в активную форму осуществляется в другом биохимическом процессе - дыхании . Основная химическая реакция процесса дыхания - это поглощение кислорода и выделение углекислого газа:
Однако процесс дыхания очень сложный. Он включает активацию атомов водорода органического субстрата, освобождение и мобилизацию энергии в виде АТФ и генерации углеродных скелетов. В процессе дыхания углеводы, жиры и белки в реакциях биологического окисления и постепенной перестройки органического скелета отдают свои атомы водорода с образованием восстановленных форм. Последние при окислении в дыхательной цепи освобождают энергию, которая аккумулируется в активной форме в сопряженных реакциях синтеза АТФ. Таким образом, фотосинтез и дыхание - это различные, но весьма тесно связанные стороны общего энергообмена. В клетках зеленых растений процессы фотосинтеза и дыхания тесно сопряжены. Процесс дыхания в них, как и во всех других живых клетках, идет постоянно. Днем наряду с дыханием в них происходит фотосинтез: растительные клетки преобразуют световую энергию в химическую, синтезируя органическое вещество, а в качестве побочного продукта реакции выделяя кислород. Количество кислорода, выделяемого растительной клеткой в процессе фотосинтеза, в 20-30 раз больше, чем поглощение его в одновременно идущем процессе дыхания. Таким образом, днем, когда в растениях идут оба процесса, воздух обогащается кислородом, а ночью, когда фотосинтез прекращается, сохраняется только процесс дыхания.
В организм человека необходимый для дыхания кислород поступает через легкие, тонкие и влажные стенки которых имеют большую поверхность (порядка 90 ) и пронизаны кровеносными сосудами. Попадая в них, кислород образует с гемоглобином, заключенным в красных кровяных клетках - эритроцитах, - непрочное химическое соединение - оксигемоглобин и в таком виде красной артериальной кровью разносится ко всем тканям тела. В них кислород отщепляется от гемоглобина и включается в различные обменные процессы, в частности окисляет органические вещества, поступившие в организм в виде пищи. В тканях к гемоглобину присоединяется углекислый газ, образуя непрочное соединение - карбгемоглобин. В таком виде, а также частично в виде солей угольной кислоты и в физически растворенном виде углекислый газ с током темной венозной крови поступает в легкие, где и выводится из организма. Схематически этот процесс газообмена в организме человека можно представить следующими реакциями:
Обычно вдыхаемый человеком воздух содержит 21% (по объему) и 0,03% , а выдыхаемый - 16% и 4% ; за сутки человек выдыхает 0,5 . Аналогично кислороду реагирует с гемоглобином угарный газ (СО), причем образующееся соединение Гем. СО значительно более прочно. Поэтому даже при небольших концентрациях СО в воздухе значительная часть гемоглобина оказывается связанной с ним и перестает участвовать в переносе кислорода. При содержании в воздухе 0,1% СО (по объему), т.е. при соотношении СО и 1: 200 гемоглобином связываются равные количества обоих газов. В силу этого при вдыхании отравленного окисью углерода воздуха смерть от удушья может наступить, несмотря на наличие избытка кислорода.
Брожение как процесс распада сахаристых веществ в присутствии особого рода микроорганизмов настолько часто протекает в природе, что спирт, хотя и в ничтожных количествах, является постоянной составной частью почвенных вод, а пары: его всегда в небольших количествах содержатся в воздухе. Простейшая схема брожения может быть представлена уравнением:
Хотя механизм процессов брожения сложен, все же можно утверждать, что чрезвычайно важную роль в нем играют производные фосфорной кислоты (АТФ), а также ряд ферментов.
Гниение - сложный биохимический процесс, в результате которого экскременты, трупы, останки растений возвращают почве ранее взятый из нее связанный азот. Под влиянием особых бактерий в конечном счете этот связанный азот переходит в аммиак и соли аммония. Кроме того, при гниении часть связанного азота переходит в свободный азот и теряется.
Как следует из приведенной выше схемы, часть солнечной энергии, поглощаемой нашей планетой, "консервируется" в виде торфа, нефти, угля. Мощные сдвиги земной коры погребали под слоями горных пород громадные растительные массивы. При разложении отмерших растительных организмов без доступа воздуха из них выделяются летучие продукты распада, а остаток постепенно обогащается углеродом. Это соответствующим образом сказывается на химическом составе и теплотворной способности продукта разложения, который в зависимости от его особенностей называют торфом, бурым и каменным углем (антрацитом). Подобно растительной, животная жизнь минувших эпох также оставила нам ценное наследство - нефть. Современные океаны и моря содержат громадные скопления простейших организмов в верхних слоях воды до глубины примерно 200 м (планктон) и в придонной области не очень глубоких мест (бентос). Общая масса планктона и бентоса оценивается громадной цифрой (~ т). Будучи основой питания всех более сложных морских организмов, планктон и бентос в настоящее время вряд ли накапливаются в виде останков. Однако в далекие геологические эпохи, когда условия для их развития были более благоприятными, а потребителей намного меньше, чем сейчас, останки планктона и бентоса, а также, возможно, и более высокоорганизованных животных, массами гибнувших в силу тех или иных причин, могли стать основным строительным материалом для образования нефти. Сырая нефть представляет собой нерастворимую в воде маслянистую жидкость черного или коричневого цвета. В ее состав входят 83-87% углерода, 10-14% водорода и небольшие количества азота, кислорода и серы. Ее теплотворная способность выше, чем у антрацита, и оценивается величиной 11000 ккал/кг.
Под биомассой понимается совокупность всех живых организмов биосферы, т.е. количество органического вещества и заключенной в нем энергии всей совокупности особей. Биомассу обычно выражают в весовых единицах в пересчете на сухое вещество на единицу площади или объема. Накопление биомассы обусловливается жизнедеятельностью зеленых растений. В биогеоценозах они как производители живого вещества играют роль "продуцентов ", растительноядные и плотоядные животные как потребители живого органического вещества - роль "консументов ", а разрушители органических остатков (микроорганизмы), доводящие распад органического вещества до простых минеральных соединений, - "редуцентов ". Особой энергетической характеристикой биомассы является ее способность к размножению. По определению В.И. Вернадского, "живое вещество (совокупность организмов) подобно массе газа растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его продвижению, или ими овладевает, их покрывает. Это движение достигается путем размножения организмов". На поверхности суши увеличение биомассы происходит в направлении от полюсов к экватору. В этом же направлении возрастает и количество видов, участвующих в биогеоценозах (см. ниже). Биоценозы почв покрывают всю поверхность суши.
Почва - это рыхлый поверхностный слой земной коры, изменяемый атмосферой и организмами и постоянно пополняемый органическими остатками. Мощность почвы наряду с поверхностной биомассой и под ее влиянием увеличивается от полюсов к экватору. Почва плотно заселена живыми организмами, и в ней происходит непрерывный газообмен. Ночью при охлаждении и сжатии газов в нее проникает некоторое количество воздуха. Кислород воздуха поглощается животными и растениями и входит в состав химических соединений. Проникший с воздухом азот улавливается некоторыми бактериями. Днем при нагревании почвы из нее выделяются аммиак, сероводород и углекислый газ. Все процессы, происходящие в почве, входят в круговорот веществ биосферы.
Гидросфера Земли , или Мировой океан , занимает более 2/3 поверхности планеты. Физические свойства и химический состав вод океана весьма постоянны и создают среду, благоприятную для жизни. Водные животные выделяют при дыхании , а водоросли при фотосинтезе обогащают воду . Фотосинтез водорослей происходит главным образом в верхнем слое воды - на глубине до 100 м. На долю планктона океана приходится 1/3 фотосинтеза, происходящего на всей планете. В океане биомасса в основном рассеяна. В среднем биомасса на Земле, по современным данным, составляет примерно т, масса зеленых растений суши - 97%, животных и микроорганизмов - 3%. В Мировом океане живой биомассы в 1000 раз меньше, чем на суше. Использование солнечной энергии на площади океана - 0,04%, на суше - 0,1%. Океан не так богат жизнью, как это предполагалось еще недавно.
Человечество составляет лишь небольшую часть биомассы биосферы. Однако, овладев различными формами энергии - механической, электрической, атомной, - оно стало оказывать громадное влияние на процессы, протекающие в биосфере. Человеческая деятельность превратилась в столь мощную силу, что эта сила стала соизмеримой с естественными силами природы. Анализ результатов деятельности человека, влияния этой деятельности на биосферу в целом привел академика В.И. Вернадского к выводу о том, что в настоящее время человечество создало новую оболочку Земли - "разумную". Вернадский назвал ее "ноосферой ". Ноосфера - это "коллективный разум человека, сконцентрированный как в его потенциальных возможностях, так и в кинетических воздействиях на биосферу. Эти воздействия, однако, на протяжении веков носили стихийный, а подчас и хищнический характер, и следствием такого воздействия стало угрожающее загрязнение окружающей среды, со всеми вытекающими отсюда последствиями".
Рассмотрение вопросов, связанных с проблемой охраны окружающей среды, требует уточнения понятия "окружающая среда ". Под этим термином понимается вся наша планета плюс тонкая оболочка жизни - биосфера, плюс космическое пространство, окружающее нас и воздействующее на нас. Однако часто для упрощения под окружающей средой подразумевают лишь биосферу и часть нашей планеты - земную кору. По В.И. Вернадскому, биосфера - это "область существования живого вещества". Живым веществом называют совокупность всех живых организмов, включая человека.
Экология как наука о взаимоотношениях организмов между собой, а также между организмами и средой обитания особое внимание уделяет изучению тех сложных систем (экосистем), которые возникают в природе на основе взаимодействия организмов между собой и неорганической средой обитания. Отсюда экосистемой называется совокупность живых и неживых компонентов природы, находящихся во взаимодействии. Это понятие применяется к единицам различной протяженности - от муравейника (микроэкосистема) до океана (макроэкосистема). Сама биосфера является гигантской экосистемой земного шара.
Связи между компонентами экосистемы возникают прежде всего на основе пищевых связей и способов получения энергии. По способу получения и использования питательных материалов и энергии все организмы биосферы разделяются на две резко различающиеся группы: автотрофы и гетеротфоры. Автотрофы способны синтезировать органические вещества из неорганических соединений (, и др.). Из этих бедных энергией соединений клетки синтезируют глюкозу, аминокислоты, а затем и более сложные органические соединения - углеводы, белки и т.д. Главными автотрофами на Земле являются клетки зеленых растений, а также некоторые микроорганизмы. Гетеротрофы не способны синтезировать органические вещества из неорганических соединений. Они нуждаются в доставке уже готовых органических соединений. Гетеротрофами являются клетки животных, человека, большинства микроорганизмов и некоторых растений (например, грибов и зеленых растений, не содержащих хлорофилла). В процессе питания гетеротрофы в конечном счете разлагают органическое вещество до углекислоты, воды и минеральных солей, т.е. веществ, пригодных для повторного использования автотрофами.
Таким образом, в природе возникает непрерывный круговорот веществ: необходимые для жизни химические вещества извлекаются автотрофами из окружающей среды и через ряд гетеротрофов вновь в нее возвращаются. Для осуществления этого процесса необходим постоянный приток энергии извне. Его источником служит лучистая энергия Солнца. Движение вещества, вызванное деятельностью организмов, происходит циклически, и оно может быть использовано вновь и вновь, тогда как энергия в этих процессах представлена однонаправленным потоком. Энергия Солнца лишь трансформируется организмами в другие формы - химическую, механическую, тепловую. В соответствии с законами термодинамики такие превращения всегда сопровождаются рассеиванием части энергии в форме тепла. Хотя общая схема круговорота веществ сравнительно проста, в реальных условиях природы этот процесс принимает очень сложные формы. Ни один вид гетеротрофных организмов не способен сразу расщеплять органическое вещество растений до конечных минеральных продуктов (, и др.). Каждый вид использует лишь часть содержащейся в органическом веществе энергии, доводя его распад до определенной стадии. Непригодные для данного вида, но еще богатые энергией остатки используются другими организмами. Таким образом, в процессе эволюции в экосистеме сложились цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих материалы и энергию из исходного пищевого вещества. Все виды, образующие пищевую цепь, существуют за счет органического вещества, генерируемого зелеными растениями.
Суммарно лишь 1% лучистой энергии Солнца, падающей на растения, превращается в энергию синтезированных органических веществ, которые могут быть использованы гетеротрофными организмами. Большая же часть энергии, содержащейся в растительной пище, расходуется в организме животных на различные процессы жизнедеятельности и, превращаясь в тепло, рассеивается. При этом только 10-20% этой энергии пищи идет непосредственно на построение нового вещества. Большие потери полезной энергии предопределяют то, что цепи питания состоят из небольшого числа звеньев (3-5). Другими словами, в результате потерь энергии количество образующегося органического вещества на каждом последующем уровне пищевых цепей резко уменьшается. Эта важная закономерность называется правилом экологической пирамиды и на диаграмме представляется пирамидой, в которой каждому последующему уровню отвечает плоскость, параллельная основанию пирамиды. Имеются различные категории экологических пирамид: пирамида чисел - отражающая число особей на каждом уровне пищевой цепи, пирамида биомассы - отражающая соответственно количество органического вещества, пирамида энергии - отражающая количество энергии в пище.
Любая экосистема состоит из двух компонентов. Один из них - органический, представляющий комплекс видов, образующих самоподдерживающуюся систему, в которой осуществляется круговорот веществ, который называется биоценозом , другой - это неорганический компонент, дающий пристанище биоценозу и называемый биотоном :
Экосистема = биотон + биоценоз.
Другие экосистемы, а также геологические, климатические, космические воздействия по отношению к данной экологической системе выступают как внешние силы. Устойчивость экосистемы всегда связана с ее развитием. Согласно современным воззрениям, экосистема обладает тенденцией развиваться в направлении к ее устойчивому состоянию - зрелой экосистеме. Это изменение называется сукцессией . Ранние стадии сукцессии характеризуются незначительным видовым разнообразием и небольшой биомассой. Экосистема в начальной стадии развития очень чувствительна к нарушениям, и сильное воздействие на основной поток энергии может ее разрушить. В зрелых экосистемах флора и фауна увеличиваются. В этом случае повреждение одного компонента не может оказать сильного влияния на всю экосистему. Отсюда зрелая экосистема имеет высокую степень устойчивости.
Как отмечалось выше, геологические, климатические, гидрогеологические и космические воздействия по отношению к данной экологической системе выступают как внешние силы. Среди внешних сил, оказывающих влияние на экосистемы, особое место занимает воздействие человека. Биологические законы строения, функционирования и развития природных экосистем связаны только с теми организмами, которые являются их необходимыми компонентами. В связи с этим человек как в социальном (личность), так и в биологическом (организм) плане не входит в состав природных экосистем. Это вытекает хотя бы из того, что любая природная экосистема в своем возникновении и развитии может обходиться без человека. Человек не является необходимым элементом этой системы. Кроме того, возникновение и существование организмов обусловлено только общими закономерностями экосистемы, тогда как человек порождается обществом и существует в обществе. Человек как личность и как биологическое существо является компонентом особой системы - человеческого общества , которая обладает исторически меняющимися экономическими законами распределения продуктов питания и других условий его существования. При этом элементы, необходимые для жизни, такие, как воздух и вода, человек получает извне , поскольку человеческое общество - это открытая система, в которую энергия и вещество поступают извне. Таким образом, человек является "внешним элементом" и не может вступать в постоянные биологические связи с элементами природных экосистем. С другой стороны, выступая в качестве внешней силы, человек оказывает большое влияние на экосистемы. В этой связи следует указать на возможность существования двух типов экосистем: естественных (природных) и искусственных. Развитие (сукцессия) естественных экосистем подчиняется законам эволюции или законам космических воздействий (постоянству или катастрофам). Искусственные экосистемы - это совокупности живых организмов и растений, живущих в условиях, которые создал человек своим трудом, своей мыслью. Сила воздействия человека на природу проявляется именно в искусственных экосистемах, которые охватывают сегодня большую часть биосферы Земли.
Экологическое вмешательство человека, очевидно, всегда имело место. Всю предшествующую деятельность человека можно рассматривать как процесс подчинения многих или даже всех экологических систем, всех биоценозов потребностям человека. Вмешательство человека не могло не влиять на экологическое равновесие. Еще древний человек, выжигая леса, нарушал экологическое равновесие, но делал он это медленно и в относительно малых масштабах. Такое вмешательство носило больше локальный характер и не вызывало глобальных последствий. Другими словами, деятельность человека того времени проходила в условиях, близких к равновесным. Однако сейчас воздействие человека на природу в силу развития науки, техники и технологии приняло такой размах, что нарушение экологического равновесия стало угрожающим в глобальном масштабе. Если бы процесс воздействия человека на экосистемы не был стихийным, а подчас и хищническим, то вопрос об экологическом кризисе не стоял бы так остро. Между тем деятельность человека на сегодня стала настолько соизмерима с мощными силами природы, что сама природа уже не в состоянии справляться с испытываемыми ею нагрузками.
Таким образом, основная сущность проблемы охраны окружающей среды заключается в том, что человечество благодаря своей трудовой деятельности превратилось в столь мощную природообразующую силу, что ее влияние стало проявляться много быстрее, чем влияние естественной эволюции биосферы.
Хотя термин "охрана окружающей среды" на сегодня весьма распространен, он все же не строго отражает существо дела. Физиолог И.М. Сеченов в свое время указывал, что живой организм не может существовать без взаимодействия с окружающей средой. С этой точки зрения, по-видимому, более строгим является термин "рациональное использование окружающей среды". В целом же проблема рационального использования окружающей среды заключается в поиске механизмов, обеспечивающих нормальное функционирование биосферы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение понятия "окружающая среда".
2. В чем состоит основная сущность проблемы охраны окружающей среды?
3. Перечислите различные аспекты проблемы охраны окружающей среды.
4. Дайте определение термина "химическая экология".
5. Перечислите основные геосферы нашей планеты.
6. Укажите факторы, определяющие верхний и нижний пределы биосферы.
7. Перечислите биофильные элементы.
8. Прокомментируйте влияние деятельности человека на естественный цикл превращений углерода.
9. Что Вы можете сказать о механизме фотосинтеза?
10. Приведите схему процесса дыхания.
11. Приведите схему процессов брожения.
12. Дайте определение понятий "продуцент", "консумент", "редуцент".
13. В чем отличие "автотрофов" от "гетеротрофов"?
14. Дайте определение понятия "ноосфера".
15. В чем сущность правила "экологической пирамиды"?
16. Дайте определение понятий "биотон" и "биоценоз".
17. Дайте определение понятия "экосистема".